美國CRFS公司發(fā)布了《射頻地理定位技術(shù)指南》，介紹了該公司三種射頻地理定位方法的工作原理，說明了每種方法的優(yōu)缺點，并確定了哪種方法最適合不同類型的信號。它還描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生精確地理定位的最佳幾何形狀。最后，它探討了新方法，包括合成方位，以及如何了解廣闊區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的海拔高度?，F(xiàn)筆者翻譯如下，僅供參考。

一、射頻環(huán)境

射頻地理定位是指確定特定射頻信號或發(fā)射器的物理位置或來源的過程。從軍事和國防行動到監(jiān)管頻譜管理和干擾搜尋，這一過程在各個領(lǐng)域都至關(guān)重要。

地理定位技術(shù)用于精確定位信號的來源，并根據(jù)所采用的方法和技術(shù)以不同的精度進行定位。

CRFS使用三種主要方法來定位射頻信號：到達時間差(TDoA)、到達功率(PoA)和到達角(AoA)。

信息社會推動了我們對帶寬的依賴和渴求，而EMS變得擁擠，這帶來了挑戰(zhàn)。擁擠的頻譜會引起電磁干擾，造成嚴重后果—從超級碗比賽中錯失達陣到災(zāi)難性的軍事?lián)p失。

我們的使用量不斷增加，導(dǎo)致地方、國家和國際層面的EMS供應(yīng)不足。盡管EMS理論上是無限的，但可用的頻譜卻受到限制，原因是a)物理因素限制了操作范圍，以及b)我們可用于利用頻譜的技術(shù)能力。

如果我們希望繼續(xù)擴大頻譜使用，就必須更有效地使用它，并為了全體公民的利益對其進行管理。對于短距離應(yīng)用，管理可以簡單地由本地頻譜管理人員進行，或者通過遵守通用共享協(xié)議（如Wi-Fi設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議）來進行。然而，長距離應(yīng)用可能更具挑戰(zhàn)性，因為國家機構(gòu)必須協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)平穩(wěn)、高效的頻譜共享。在國際邊界附近，情況變得更加復(fù)雜，不同國家的當(dāng)局必須就頻譜使用達成一致并進行協(xié)調(diào)。

二、射頻地理定位的應(yīng)用

軍事和防御：定位敵方雷達、通信設(shè)備和其他電子發(fā)射器，以用于情報目的和EMCO。

ISR：精確定位目標(biāo)，收集可操作的情報，并提供實時態(tài)勢感知。

監(jiān)管頻譜管理：識別干擾源或未經(jīng)授權(quán)的信號發(fā)射，以確保高效、合規(guī)的頻譜使用。

執(zhí)法：追蹤非法或惡意傳輸，例如用于犯罪活動的設(shè)備和非法廣播電臺。

關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施：通過持續(xù)監(jiān)控非法監(jiān)視設(shè)備來確保安全。

情報機構(gòu)：通過定位威脅和開展反恐和間諜行動來收集增強情報。

工業(yè)4.0：解決依賴于連接到無線網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備的工業(yè)4.0所帶來的安全挑戰(zhàn)。

太空發(fā)射：通過對任何干擾源進行地理定位，確保太空港的順利運行。

三、到達時間差(TDoA)vs到達功率(PoA)vs到達角(AoA)

四、到達時間差(TDoA)

TDoA是在第二次世界大戰(zhàn)期間開發(fā)的。該技術(shù)比較多個接收器在某一時刻接收到的射頻信號（特別是信號的I/Q數(shù)據(jù)）的時間差。由于接收器位于不同位置，它們在不同時間接收到相同的信號。使用頻譜監(jiān)控和地理定位軟件精確計算此時間差可以對信號進行地理定位。

計算TDoA：為了準(zhǔn)確工作，TDoA需要全向天線和至少三個射頻接收器組成的網(wǎng)絡(luò)，這些接收器會持續(xù)記錄射頻信號。這些信號的數(shù)據(jù)會實時發(fā)送到主控制計算機，然后可以評估所有信號。

然后，頻譜監(jiān)測軟件會疊加時間測量值，以確定每個信號必須移動多遠（以微秒或毫秒為單位）才能全部對齊或關(guān)聯(lián)。該軟件還會評估信號疊加的質(zhì)量，并利用此信息來緩解多徑和虛假相關(guān)性。時間測量值之間的差異代表一個關(guān)聯(lián)點，軟件會將其顯示為地圖上的一條曲線（或等時線）。

僅使用兩個射頻接收器，相關(guān)時間關(guān)系便可在地圖上形成一條曲線。盡管信號將位于該曲線的某個位置，但無法確定其準(zhǔn)確位置。但是，添加第三個傳感器可讓軟件形成第二條曲線。根據(jù)接收器的放置方式和發(fā)射器的位置，第二條曲線將與第一條曲線重疊，軟件將計算出數(shù)學(xué)緯度-經(jīng)度解。

通過此設(shè)置，可以比較兩個傳感器對之間的時間差，從而實現(xiàn)發(fā)射器的2D地理定位。如果幾何形狀合適，添加第四個傳感器可讓軟件使用3D TDoA計算高度。

網(wǎng)絡(luò)中可以添加無限數(shù)量的接收器——無論是陸地、空中還是固定或便攜式部署。每個傳感器將根據(jù)其相對于發(fā)射器位置的位置在不同時間接收信號。一旦通過關(guān)聯(lián)建立了時間關(guān)系，算法就會使用接收器的已知緯度、經(jīng)度和海拔（用于3D目的）來計算發(fā)射器的地理位置。

射頻接收器網(wǎng)絡(luò)：接收器網(wǎng)絡(luò)理想情況下應(yīng)圍繞發(fā)射器。如果發(fā)射器在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部移動，傳感器可以跟蹤傳輸并準(zhǔn)確定位。但是，如果發(fā)射器移動到網(wǎng)絡(luò)外部，則地理定位會變得更具挑戰(zhàn)性，因為曲線以非常小的角度相交。雖然曲線會相交，但小角度使得難以準(zhǔn)確確定發(fā)射器的精確位置，發(fā)射器可能位于曲線相交的多個位置。

圖1：良好射頻接收器定位的示例。兩對接收器創(chuàng)建兩條曲線并提供精確的地理定位。

圖2：當(dāng)發(fā)射器位于網(wǎng)絡(luò)外部時，兩條曲線以非常小的角度相交的示例。

射頻接收器的最佳位置取決于網(wǎng)絡(luò)包含多少個接收器。在三傳感器網(wǎng)絡(luò)中，以三角形排列傳感器是最佳做法。對于四個接收器，最佳效果是從Y形排列、三角形加上一個大致位于中間的接收器獲得。

理想的配置是將多個接收器以非對稱方形排列，盒子內(nèi)至少有一個傳感器。這將確保2D TDoA和3D TDoA的最佳地理定位，因為不會出現(xiàn)對稱相交曲線，而對稱盒子形狀會產(chǎn)生這種曲線。

圖3：2D TDoA和3D TDoA的最佳結(jié)果是由一個箱型網(wǎng)絡(luò)和一個內(nèi)部接收器產(chǎn)生的。

接收器定位差會對地理定位精度產(chǎn)生負面影響。例如,放置在直線上的三個傳感器可能產(chǎn)生模糊的結(jié)果：兩對傳感器之間曲線上的多個可能的信號地理定位。

圖4：不良射頻接收器定位幾何導(dǎo)致模糊的地理位置。

當(dāng)發(fā)射器位于射頻接收器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時，可獲得最精確的地理定位；不過，也有可能在基線（網(wǎng)絡(luò)中最遠的一對接收器之間的距離）兩倍的距離內(nèi)對信號進行精確的地理定位。就海拔高度而言，當(dāng)發(fā)射器的海拔高度在接收器網(wǎng)絡(luò)的基線距離內(nèi)時，軟件通常能最好地計算3D地理定位（包括海拔高度）。

五、影響TDoA準(zhǔn)確性和性能的因素

TDoA地理定位的精度受調(diào)制帶寬的影響,調(diào)制帶寬是信號用來傳輸信息的頻率范圍。調(diào)制帶寬為10MHz的發(fā)射器可以精確到100米。然而,當(dāng)帶寬減少到1MHz或100kHz時，不確定性顯著增加，精度分別達到1500米和5000米。

圖5：調(diào)制帶寬對相關(guān)質(zhì)量的影響。

為了獲得精確的TDoA，信號必須具有良好的相關(guān)性,才能測量到達多個獨立接收器的信號的精確時間差。TDoA最好的信號類型是具有高調(diào)制帶寬的信號。

相反,隨著調(diào)制帶寬的減少，相關(guān)的時間數(shù)據(jù)越來越少，而時間的不準(zhǔn)確性也越來越大。因此，軟件更難以精確地確定相關(guān)圖的峰值。

雖然寬帶數(shù)字調(diào)制產(chǎn)生了最精確的地理定位，但必須實現(xiàn)系統(tǒng)來補償信號沒有以這種方式被調(diào)制的情況。

六、基于樣本的TDoA vs 基于探測器的TDoA

基于樣本的TDoA包括定期、實時地將(信號的)同相和正交(I/Q)數(shù)據(jù)流傳輸回控制計算機,從而不斷完成接收器對之間的時間相關(guān)性。

這種方法不尋找任何特定類型的信號，而是盲目地將數(shù)據(jù)流送回控制計算機，而不管信號內(nèi)容如何。因此，這種技術(shù)對回程傳輸?shù)囊蠛芨?，并可能?dǎo)致計算機浪費時間去關(guān)聯(lián)噪聲。

為了解決這個問題，CRFS開發(fā)了基于探測器的TDoA，它在接收器上安裝了匹配濾波器，以查找特定的信號參數(shù)。例如，可以對探測器進行編程，以評估在指定頻率范圍內(nèi)具有特定帶寬的信號（即跳頻信號）、具有預(yù)定義脈寬（PW）的脈沖信號、指定的脈沖重復(fù)間隔（PRI）等。

如果說信號是指紋，那么信號探測器就是指紋掃描儀——它們能實時描述成千上萬個信號的頻率、功率和時間特征。射頻接收器在掃描時，信號探測器會分析每個信號，并將其與過濾標(biāo)準(zhǔn)列表進行比較，尋找匹配的信號。只有在信號符合濾波器標(biāo)準(zhǔn)后，接收器才會將I/Q數(shù)據(jù)發(fā)回控制計算機。實際上，探測器就是大規(guī)模的信號鑒別器。當(dāng)探測器正確識別信號時，就會啟動地理定位工作流程。

利用基于探測器的TDoA，接收器會在特定時間內(nèi)保留I/Q數(shù)據(jù)，以便從探測傳感器和所有其他傳感器檢索I/Q數(shù)據(jù)。然后進行關(guān)聯(lián)引擎，產(chǎn)生地理定位?；?/span>探測器的TDoA可以對跳頻信號進行地理定位，而基于樣本的TDoA只能與固定頻率范圍相關(guān)?；?/span>探測器的TDoA甚至可以搜索遠遠超出射頻接收器瞬時帶寬(IBW)的寬頻率范圍。這允許在寬頻帶內(nèi)進行相關(guān)性和地理定位，有助于對無人機等跳頻設(shè)備進行地理定位。

七、利用合成方位干擾、誘騙和干擾定位覆蓋區(qū)外的信號

在覆蓋區(qū)邊緣，曲線相交的角度較淺，因此很難確定信號的位置。因此，對遠在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域之外的發(fā)射器進行地理定位是一項挑戰(zhàn)。

然而，一項名為“合成方位”的新功能可以讓系統(tǒng)根據(jù)曲線的指向形成一條方位線。該方位表明信號是沿著這條線傳輸?shù)?。軟件可以計算出大致的范圍，不過隨著信號離接收器網(wǎng)絡(luò)越來越遠，范圍的精確度也會下降。

圖6：利用合成方位定位覆蓋區(qū)域外的信號。

八、到達功率（PoA）

PoA是一種地理定位技術(shù),用來比較多個接收器接收到的(信號)幅功率。它在短距離內(nèi)(通常在室內(nèi)環(huán)境中)是有效的。該系統(tǒng)分析并比較了接收功率水平,以建立發(fā)射器的地理定位。

網(wǎng)絡(luò)中的射頻接收器是利用一個由CRFS設(shè)計的系統(tǒng)同步的,該系統(tǒng)使用以太網(wǎng)或光纖電纜在接收器之間建立了精確的時序關(guān)系,從而產(chǎn)生了非常精確的時序精度(以納秒計)。

PoA可用于室內(nèi)和室外地理定位。在建筑物內(nèi),傳感器通常安裝在天花板瓦上,可以用來定位發(fā)射器所在的特定房間。然而,應(yīng)該在建筑物外設(shè)置一個參考傳感器,以區(qū)分室內(nèi)和室外的傳輸,這對安全設(shè)施至關(guān)重要。

計算PoA

利用全向天線,接收器離發(fā)射器越遠,接收到的信號就越弱。

當(dāng)信號接收器和發(fā)射器關(guān)閉時,軟件產(chǎn)生一個傾斜的曲線,并根據(jù)信號的射頻傳播特性計算出與發(fā)射器的距離。通過使用多個接收器,這些距離可以在地圖上被覆蓋來形成地理定位。

然而,隨著發(fā)射器移動到更遠的地方,功率的變化變得不那么明顯,傾斜變得更淺。當(dāng)斜度變淺時,PoA就變得不那么有效了。對于位于一公里以外的發(fā)射器,功率的變化變得微不足道,系統(tǒng)再也無法有效計算距離。

圖7:曲線的陡峭斜度可實現(xiàn)精確的地理定位。

九、到達角（AoA）

AoA提供了從測向（DF）陣列到發(fā)射器的單一方位線。該方位線可以疊加在地圖或極坐標(biāo)圖上，以指示信號來自何處。方位線也可以相對于真北或相對于移動車輛。

AoA可查看六個天線（在DF陣列內(nèi)）面上的信號接收振幅，以比較接收振幅水平。利用探測到的信號強度和已知的天線方向，軟件可以通過多天線方法確定信號的來源方向。這種技術(shù)可用于各種固定和移動部署方案。

圖8：AoA部署示例

AoA工作原理

AoA使用測向陣列對寬帶和窄帶發(fā)射器進行地理定位；AoA是窄帶信號的首選方法。

每個測向陣列包含六根定向天線，可偵聽一個預(yù)先設(shè)定的方向。天線的方位角每60度一個，這意味著三根天線總能計算出任何一個信號的來源。在每個天線上進行功率測量，然后系統(tǒng)將測量到的功率電平進行比較，以確定信號最強的位置，從而揭示發(fā)射 器的方向。

這些陣列的工作頻率通常高達18KHz；不過，CRFS也有工作頻率高達40KHz的毫米波應(yīng)用設(shè)備。CRFS DF陣列還可覆蓋低頻段（30MHz - 300MHz）DF應(yīng)用。

AoA是一種有用的移動信號搜索技術(shù)。頻譜管理者可以駕車靠近信號源（在裝有陣列的面包車內(nèi)），并在靠近時進行地理定位。

為了更有效地進行地理定位，使用多個DF陣列可以提供多條方位線，這些方位線相互交叉，顯示發(fā)射器的精確地理位置。

兩個高帶寬DF陣列

陣列中的每根天線都指向不同的方向，通過多根天線接收感興趣目標(biāo)的信號。系統(tǒng)通過分析信號強度來確定其方向。

如果每個信號都是一個指向特定方向的箭頭，那么通過綜合這些箭頭的角度，系統(tǒng)就能更清楚地了解信號的來源。這一過程有助于追蹤信號源，因為天線可以接收信號，陣列可以計算出地理定位所需的方位測量線。

低帶寬DF陣列

低帶寬DF陣列有五根天線：四根在外側(cè)，一根在中央。它通過比較每個外圍天線接收到的信號強度來確定信號的來源。中央全向天線通過檢查外圍天線之間的信號差異，進一步完善這一功能。然后使用軟件將所有這些因素綜合起來，形成一條方位線，并確定信號的方向。

每次測量都會產(chǎn)生一個方位

DF陣列可以跟蹤各種類型的信號，包括跳頻信號。CRFS軟件可將這些信號方向可視化，用顏色代表頻率或信號質(zhì)量。高質(zhì)量信號更容易跟蹤，尤其是當(dāng)陣列兩側(cè)的天線之間存在明顯的信號強度差異時。如果兩側(cè)的信號強度幾乎相等，則表明可能存在干擾或多徑效應(yīng)，從而難以確定原始信號的確切方向。

圖9:顯示多個信號并在特定頻率域上執(zhí)行AoA的軟件。

圖的左側(cè)顯示的是一個雙通道跳頻器，由于它們有各自的頻段，因此會產(chǎn)生各自的方位線。圖的中間是一個五通道跳頻器，中間是一個強干擾信號。一般來說，在設(shè)置任務(wù)分析信號時，強干擾信號會主導(dǎo)測量結(jié)果；但是，軟件可以將信號分開并單獨分析，因為每個信號都會產(chǎn)生自己的頻段。

因此，可以看到五通道跳頻的方位線和強干擾信號。此外，還可以使用“排除區(qū)”等工具來屏蔽頻域內(nèi)的區(qū)域，以過濾掉不需要的信號。

DF陣列的最佳效果

單個DF陣列可以產(chǎn)生一條指向發(fā)射器的方位線，表明信號是從這條線上的某處發(fā)射的。不過，要確定距離，應(yīng)從不同位置使用第二個DF陣列，以產(chǎn)生兩條相交的方位線，從而確定地理位置。增加第三個DF陣列可提高精確度，改善地理定位結(jié)果，減少模糊性和不確定性。

就射頻接收器的定位而言，將多個傳感器放置在一條直線上得到的結(jié)果最不精確。當(dāng)陣列環(huán)繞目標(biāo)收發(fā)器時，系統(tǒng)將更加精確。此外，傳感器需要與發(fā)射源保持視線一致，才能獲得最佳地理定位結(jié)果。

圖10：三個DF陣列形成的方位線。

雖然AoA定位對寬帶和窄帶信號都很有效，但它是窄帶信號的首選方法。由于AoA系統(tǒng)靈敏度高，因此可以同時生成多條方位線。

十、結(jié)論

TDoA、PoA和AoA使對大多數(shù)類型的射頻發(fā)射器進行地理定位成為可能。同時使用其中幾種技術(shù)并對結(jié)果進行比較，可以提高地理定位的準(zhǔn)確性。不過，TDoA和PoA是相互排斥的，因為TDoA技術(shù)需要較長的基線，而PoA需要較短的基線。

當(dāng)然，影響地理定位性能的因素很多，包括發(fā)射頻率、發(fā)射功率、調(diào)制類型和帶寬以及天線高度。不過，只有當(dāng)接收器能夠“看到”發(fā)射器時，地理定位才有可能實現(xiàn)。任何阻礙視線的障礙物都會妨礙地理定位和信號測量，如果沒有視線，地理定位將無法實現(xiàn)。此外，物理環(huán)境中的一些因素，如多徑產(chǎn)生的鏡像，也會對地理定位產(chǎn)生負面影響；不過，CRFS軟件采用了一些技術(shù)來減少基于多徑的錯誤地理定位。

無論采用哪種技術(shù)，地理定位都只能識別發(fā)射器輻射元件，而這不一定是操作員所在的位置。在這個網(wǎng)絡(luò)電話（VoIP）時代，操作員的定位可能遠離發(fā)射元件。